功能化納米材料電致化學(xué)發(fā)光新體系的建立及其生物分析應(yīng)用.pdf

1、電致化學(xué)發(fā)光（electrogenerated chemiluminescence或electrochemiluminescence，ECL）分析技術(shù)是電化學(xué)和化學(xué)發(fā)光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，兼具高可控性和高靈敏度等優(yōu)點，在臨床檢驗診斷、食品安全檢測和環(huán)境污染監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在ECL研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)僅存發(fā)光物質(zhì)時，其ECL強度相對較低；當(dāng)加入共反應(yīng)試劑時，可以顯著地提高發(fā)光物質(zhì)的ECL強度，因此，發(fā)展高效的ECL共反應(yīng)體系

2、是獲得高的ECL強度進而提高檢測靈敏度的主要途徑之一。納米材料的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)使其具有比表面積大和表面活性位點多等優(yōu)點，能有效提高界面電化學(xué)的反應(yīng)活性，從而提高ECL強度；另一方面，納米材料的量子限域效應(yīng)使其本身可以作為發(fā)光物質(zhì)（例如，量子點、金屬納米簇等），在ECL領(lǐng)域也展現(xiàn)出優(yōu)異的發(fā)光效率。因此，納米材料在ECL分析方法中得到了廣泛的應(yīng)用。基于此，本文主要從利用納米材料提高共反應(yīng)試劑的作用效率以及開發(fā)成本低廉、生物相容性好和E

3、CL性能優(yōu)異的納米材料類發(fā)光物質(zhì)這兩方面出發(fā)，發(fā)展高效的新型ECL體系，并構(gòu)建ECL生物傳感器應(yīng)用于蛋白質(zhì)和生物小分子的靈敏檢測。具體研究工作分為以下幾部分：
　　1.基于納米金功能化的磁性石墨烯構(gòu)建高靈敏電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器的研究
　　共反應(yīng)試劑直接置于檢測底液中存在試劑用量大、操作復(fù)雜和增加測量誤差等問題，因此，尋求一種有效的方法將共反應(yīng)試劑固載在電極界面以解決上述問題。碳納米材料因其大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性和良好的

4、生物相容性等特點，被廣泛地用作納米載體應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域。為進一步增加碳納米材料表面的活性位點，通常需要對碳納米材料進行表面功能化處理。首先，通過一鍋法合成了納米金功能化的磁性石墨烯（Au@Fe3O4-rGO）復(fù)合材料，該復(fù)合納米材料具有更大的比表面積、更多的活性位點和易分離等優(yōu)點，可以顯著地提高生物分子的固載量。再利用Au-N鍵作用將聯(lián)吡啶釕（Ru(bpy)32+）的共反應(yīng)試劑精氨酸二肽（bi-Arg）修飾在Au@Fe3O4-rGO

5、復(fù)合材料表面，然后繼續(xù)組裝脫嘌呤/脫嘧啶核酸內(nèi)切酶1（APE-1）二抗，制得增強型二抗耦合物探針?；趭A心免疫反應(yīng)，構(gòu)建了高靈敏的免疫傳感器用于APE-1的定量分析。該傳感器對1.0fg mL-1～5.0pg mL-1濃度范圍內(nèi)的APE-1呈現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)，檢測限低至0.3fg mL-1。
　　2.基于納米金功能化的C60納米復(fù)合物構(gòu)建免標記電致化學(xué)發(fā)光適體傳感器的研究
　　在ECL研究中，納米材料通常作為納米載體用于固

6、載共反應(yīng)試劑，但該方式固載共反應(yīng)試劑的量十分有限。因此，為拓展共反應(yīng)試劑的類型，本文研究了納米材料本身作為共反應(yīng)試劑的可能性。采用溶劑交換法合成了C60納米顆粒（nano-C60），然后通過疏水作用將牛血清白蛋白（BSA）修飾到nano-C60表面，使其表面富含氨基和巰基。然后再將納米金原位還原到nano-C60表面獲得納米金功能化的C60納米復(fù)合物（Au@nano-C60），該復(fù)合納米材料具有比表面大、表面活性位點多和易于成膜等優(yōu)點，

7、是一種理想的電極修飾材料。值得注意的是，Au@nano-C60復(fù)合材料能夠有效地增強S2O82--O2體系的ECL信號，并結(jié)合聚組氨酸共反應(yīng)試劑和金納米顆粒的促進作用，構(gòu)建“on-off-on”信號轉(zhuǎn)換模式的免標記ECL適體傳感器用于卡那霉素的靈敏檢測。該制備的適體傳感器對濃度在0.15nmol L-1～170mmol L-1范圍內(nèi)的卡那霉素呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢測限低至45pmol L-1。該工作擴寬了納米材料在ECL生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)

8、用空間。
　　3.基于hemin/G-四分體脫氧核酶對自增強釕(II)復(fù)合物的三重猝滅作用構(gòu)建信號減小型電致化學(xué)發(fā)光適體傳感器的研究
　　傳統(tǒng)的ECL反應(yīng)中，共反應(yīng)試劑對發(fā)光物質(zhì)的ECL增強作用均是通過分子間的電子傳遞實現(xiàn)的。然而，這種分子間的電子傳遞存在較大的能量損失，因此限制了共反應(yīng)試劑增強ECL的效率。鑒于此，本文將發(fā)光物質(zhì)聯(lián)吡啶釕衍生物和共反應(yīng)試劑聚乙烯亞胺（PEI）通過共價交聯(lián)在有機半導(dǎo)體納米材料苝四甲酸（PTCA

9、）表面上，制得自增強釕(II)復(fù)合物。該自增強釕(II)復(fù)合物中共反應(yīng)試劑與發(fā)光物質(zhì)間的相互作用通過分子內(nèi)的電子傳遞實現(xiàn)的，縮短了電子傳遞的距離，從而極大地增強發(fā)光效率。將該自增強釕(II)復(fù)合物滴涂在電極界面成膜，實現(xiàn)了有效地固載共反應(yīng)試劑和發(fā)光物質(zhì)。利用hemin/G-四分體脫氧核酶（hemin/G-quadruplex DNAzymes）對自增強釕(II)復(fù)合物的三重ECL猝滅作用，構(gòu)建信號減小型ECL適體傳感器用于凝血酶的檢測。

10、該適體傳感器實現(xiàn)了凝血酶在1.0×10-14mol L-1～1.0×10-10mol L-1范圍的高靈敏檢測，其檢測限達到了飛摩爾水平。
　　4.新型銅納米簇的電致化學(xué)發(fā)光及其生物分析應(yīng)用的研究
　　迄今，由于鎘基半導(dǎo)體納米晶體發(fā)射光譜可調(diào)控和量子產(chǎn)率高的優(yōu)點，使其成為最有前途的納米材料類發(fā)光物質(zhì)，然而，鎘離子的存在會帶來不可避免的生物毒性，進而引起環(huán)境污染和危害健康等問題使其在生物分析中的應(yīng)用受到限制。因此，尋求無毒、經(jīng)濟

11、、發(fā)光效率高的ECL納米材料類發(fā)光物質(zhì)是ECL技術(shù)應(yīng)用于生物分析的基礎(chǔ)。銅納米簇（Cu NCs）作為一類新型熒光和催化的納米材料，在傳感器、生物標記和催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。截止目前，Cu NCs的ECL現(xiàn)象卻還尚未被報道。本文率先研究了Cu NCs的陽極ECL信號，并以肼（HZ）作為共反應(yīng)試劑獲得了令人滿意的ECL響應(yīng)?；谠撔滦偷腃u NCs/HZ ECL體系，本文構(gòu)建了信號減小型高靈敏傳感平臺用于測定多巴胺。實驗結(jié)果表明C

12、u NCs作為一種新型低成本和優(yōu)異的發(fā)光納米材料，在ECL生物分析中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
　　5.基于二硫化鉬量子點電致化學(xué)發(fā)光體系和目標物循環(huán)同步滾環(huán)擴增的放大策略構(gòu)建高靈敏適體傳感器的研究
　　二硫化鉬量子點（MoS2 QDs）是一類具有類似石墨烯獨特二維結(jié)構(gòu)的過渡金屬二硫化物納米材料，它不僅具有發(fā)射光譜可調(diào)控、量子產(chǎn)率高和易功能化等優(yōu)點，而且由于無重金屬離子還展現(xiàn)出良好的生物相容性，現(xiàn)已被廣泛地用作催化劑、熒光探針等

13、，迄今，對其ECL的研究尚未報道。本文通過化學(xué)剝離法制備了無毒、經(jīng)濟的MoS2 QDs，并率先研究其ECL性能。在三乙胺（TEA）共反應(yīng)試劑的存在下，可以觀察到強的MoS2 QDs ECL信號?；贛oS2 QDs/TEA ECL體系結(jié)合適體識別驅(qū)動的目標物循環(huán)同步滾環(huán)擴增（RCA）的放大策略，構(gòu)建了高靈敏的適體傳感器，實現(xiàn)了對內(nèi)毒素的痕量分析。該傳感器對濃度在0.1fg mL-1～50ng mL-1范圍內(nèi)的內(nèi)毒素呈現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)，